摘 要：情景感知提供有一種依據(jù)情景信息實(shí)現(xiàn)智能決策的計(jì)算模式。文章提出了一種基于情景感知的水稻育秧大棚環(huán)境感知與控制服務(wù)模型，較好地解決了物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的情景感知、情景處理及情景服務(wù)問題。在實(shí)際的水稻育秧農(nóng)業(yè)產(chǎn)生中，感知節(jié)點(diǎn)可提供水稻育秧大棚內(nèi)的各類環(huán)境信息，執(zhí)行節(jié)點(diǎn)則執(zhí)行相關(guān)的情景處理結(jié)果，基站平臺(tái)、服務(wù)器平臺(tái)、移動(dòng)終端平臺(tái)負(fù)責(zé)情景信息處理與信息推送，這樣，通過設(shè)置控制因子與環(huán)境因子之間的關(guān)系，即可自主應(yīng)對(duì)各類異常情況。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)；情景感知；環(huán)境參數(shù)；數(shù)據(jù)融合

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302(2014)06-0029-03

0引言

隨著無線傳感器與執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)格計(jì)算及情景感知等技術(shù)的成熟，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的大田種植、設(shè)施園藝、畜禽養(yǎng)殖、水產(chǎn)養(yǎng)殖及農(nóng)產(chǎn)品物流等方面已進(jìn)入快速推進(jìn)和實(shí)質(zhì)應(yīng)用階段。

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)以農(nóng)業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的各類傳感器為感知設(shè)備，充分利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)等多種傳輸通道，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)信息的多尺度的可靠傳輸，并將獲取的海量農(nóng)業(yè)信息進(jìn)行融合、處理，實(shí)現(xiàn)智能控制，進(jìn)而提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營精細(xì)化管理水平，達(dá)到合理使用農(nóng)業(yè)資源、降低生產(chǎn)成本、改善生態(tài)環(huán)境、提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和品質(zhì)[1]。

黑龍江省是中國主要的水稻產(chǎn)區(qū)之一，因氣候原因，黑龍江省內(nèi)各墾區(qū)的水稻育秧工作一般在每年3月中旬到5月中旬在水稻育秧大棚內(nèi)進(jìn)行，大棚內(nèi)的環(huán)境直接影響到秧苗的質(zhì)量。通過在水稻育秧大棚內(nèi)部署農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，水稻育秧管理人員可隨時(shí)隨地了解育秧大棚內(nèi)環(huán)境并可遠(yuǎn)程控制大棚內(nèi)的設(shè)備，實(shí)現(xiàn)精確化管理，可有效提升壯秧率，提高水稻的產(chǎn)量[2]。

本文基于此，在充分分析了水稻育秧大棚的功能需求基礎(chǔ)上，基于WSAN和情景感知，設(shè)計(jì)了一套水稻育秧大棚情景感知農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了全面感知水稻育秧大棚的實(shí)時(shí)環(huán)境，并通過對(duì)感知信息融合處理，實(shí)現(xiàn)基于智能決策的精準(zhǔn)控制。

1系統(tǒng)模型

1.1情景感知

情景感知形成于普適計(jì)算環(huán)境下，指利用傳感器感知情境信息，通過對(duì)情景信息的分析、處理，自主地為用戶提供服務(wù)的過程。凡是能夠按照用戶需求，根據(jù)情境向用戶提供相關(guān)信息及服務(wù)的系統(tǒng)，均可稱作情境感知系統(tǒng)。情境感知系統(tǒng)由情景獲?。ㄇ榫疤峁?、情景表示（情景處理）和情景使用（應(yīng)用服務(wù)）等三部分構(gòu)成[3]。

2006年8月Google提出了云計(jì)算，云計(jì)算較好地解決了情境感知系統(tǒng)中大數(shù)據(jù)收集、分析、處理，以及實(shí)時(shí)信息服務(wù)等儲(chǔ)多問題，從而促進(jìn)了情景感知技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用。與傳統(tǒng)情景感知服務(wù)相比，云計(jì)算環(huán)境下的情景感知服務(wù)在情景獲取、情景表示和情景使用等方面都有了全新實(shí)現(xiàn)模式[4]，從而具有智能化、交互性強(qiáng)，以及實(shí)時(shí)性高的特點(diǎn)。

1.2情景感知系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

應(yīng)用于水稻育秧大棚的情景感知物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[5-8]如圖1所示。該系統(tǒng)由情景獲取、情景處理、應(yīng)用服務(wù)等三部分組成。

圖1水稻育秧大棚的情景感知物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

情景獲取主要負(fù)責(zé)對(duì)水稻育秧大棚內(nèi)的環(huán)境因子進(jìn)行采集和獲取，在經(jīng)過保真預(yù)處理后，將信息轉(zhuǎn)換成指定格式。情景獲取通常利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)來實(shí)現(xiàn)，這種實(shí)現(xiàn)方式僅能感知情景，而無法自主的改變情景，為解決這一問題，本設(shè)計(jì)中引入了無線傳感器與執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)(WSAN)，這種網(wǎng)絡(luò)由一組傳感器節(jié)點(diǎn)和執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。傳感器節(jié)點(diǎn)用于提供水稻育秧大棚內(nèi)的各類環(huán)境信息，而執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)用于執(zhí)行相關(guān)的情景服務(wù)。另外，針對(duì)水稻育秧大棚群數(shù)據(jù)處理的實(shí)際，系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理結(jié)構(gòu)借鑒了 “半自主結(jié)構(gòu)”和“協(xié)同結(jié)構(gòu)”的思想[9]，并將兩者思想相融合，提出半自主協(xié)同結(jié)構(gòu)，圖2所示是系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)中，感知節(jié)點(diǎn)同時(shí)向執(zhí)行節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)傳送數(shù)據(jù)，執(zhí)行節(jié)點(diǎn)將對(duì)收到的數(shù)據(jù)分析，但在執(zhí)行某類操作以前會(huì)與匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行協(xié)商。在這種結(jié)構(gòu)中，匯聚節(jié)點(diǎn)監(jiān)控整個(gè)信息網(wǎng)絡(luò)，并與服務(wù)器平臺(tái)、感知節(jié)點(diǎn)與執(zhí)行節(jié)點(diǎn)通信。

情景處理是情景感知系統(tǒng)的核心，基于農(nóng)業(yè)情景知識(shí)庫，對(duì)所感知的情景進(jìn)行建模，同時(shí)對(duì)所感知的情景進(jìn)行過濾和篩選，并最終對(duì)生成的情景進(jìn)行識(shí)別，以便輸出情景控制信息。

圖2系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2系統(tǒng)構(gòu)建

2.1感知節(jié)點(diǎn)

圖3所示的感知節(jié)點(diǎn)用于感知水稻育秧大棚內(nèi)的三大類環(huán)境參數(shù)。節(jié)點(diǎn)MCU采用Silicon Laboratories公司推出的完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)芯片C8051F021，該芯片集成2個(gè)ADC（8通道12位ADC0，8通道10位ADC1），便于實(shí)現(xiàn)多通道模擬量采集。

圖3感知節(jié)點(diǎn)

感知節(jié)點(diǎn)的傳感器部分并沒有采用傳統(tǒng)的“板載”設(shè)計(jì)，而是采取了 “開放式”設(shè)計(jì)。即感知節(jié)點(diǎn)利用MCU接口豐富優(yōu)勢(shì)，預(yù)留電流型傳感器接口、電壓型傳感器接口、數(shù)字型傳感器接口，而具體傳感器的種類、類型可利用軟件進(jìn)行配置，感知節(jié)點(diǎn)通道配置軟件如圖4所示。通過配置軟件可為每一感知節(jié)點(diǎn)配置一個(gè)長度為16位的編碼，作為感知節(jié)點(diǎn)網(wǎng)內(nèi)標(biāo)識(shí)。對(duì)于每個(gè)模擬通道必須配置通道名稱、單位、測(cè)量范圍等參數(shù)后，才可正常使用，而對(duì)于數(shù)字通道只需配置通道名稱和單位即可。

感知節(jié)點(diǎn)的無線傳輸部分同時(shí)兼融433 MHz無線數(shù)據(jù)傳輸模式和2.4 GHz ZigBee無線數(shù)據(jù)傳輸模式，以適應(yīng)不同地區(qū)現(xiàn)場(chǎng)需要。433 MHz無線模塊采用Silicon Laboratories公司的SI4464實(shí)現(xiàn)，與MCU通過SPI接口連接，為增大無線數(shù)據(jù)傳輸距離，在SI4464射頻模塊外增加了一級(jí)PA，使最大發(fā)射功率達(dá)到30 dBm；ZigBee通信部分采用了Digi公司XBee S2模塊。XBee S2以ZigBee協(xié)議運(yùn)作，支持低成本、低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)工程。

圖4感知節(jié)點(diǎn)通道配置軟件

感知節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù) “保真”預(yù)處理方面，采取了“分布圖+Kalman+Bayes”的“輕量級(jí)”數(shù)據(jù)融合算法[10]。

2.2執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)

執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)如圖5所示，用于控制水稻育秧大棚內(nèi)的通風(fēng)電機(jī)、噴淋閥等設(shè)備。執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)通過無線方式接收基站平臺(tái)的控制指令。執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)在設(shè)計(jì)過程中充分考慮了信號(hào)隔離與信號(hào)抗干擾、卷膜電機(jī)上升和下降的互鎖機(jī)制，以及設(shè)備狀態(tài)的自動(dòng)檢測(cè)與處理。

圖5控制節(jié)點(diǎn)

與感知節(jié)點(diǎn)一樣，執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)同樣也配置一個(gè)長度為16位的編碼，作為網(wǎng)內(nèi)設(shè)備標(biāo)識(shí)，且要與感知節(jié)點(diǎn)統(tǒng)一編碼。

2.3基站節(jié)點(diǎn)

基站節(jié)點(diǎn)除承擔(dān)WSAN網(wǎng)絡(luò)情景感知網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的功能外，還同時(shí)具有匯總數(shù)據(jù)、感知數(shù)據(jù)的初級(jí)分析與處理，反饋控制信息以及移動(dòng)終端信息推送等功能。此外，情景推理模塊的特征級(jí)融合及部分決策級(jí)整合也在基站節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)。

據(jù)此，基站節(jié)點(diǎn)利用工控PC機(jī)實(shí)現(xiàn)，基站節(jié)點(diǎn)情景信息管理軟件平臺(tái)如圖6所示。該軟件使用C#語言在.NET環(huán)境下開發(fā)的，采用“感+傳+控”體系結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理是利用SQLite 3.0實(shí)現(xiàn)。

圖6情景信息管理軟件平臺(tái)

3結(jié)語

農(nóng)業(yè)作為國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)，必將成為物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)應(yīng)用的重要領(lǐng)域。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)需要解決數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)智能處理等儲(chǔ)多問題，情景感知作為一種依據(jù)情景信息，實(shí)現(xiàn)智能決策的計(jì)算模式，為農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)建提供了良好的實(shí)現(xiàn)模式。本文結(jié)合水稻育秧大棚的實(shí)際需求，提出了一種應(yīng)用于水稻育秧大棚農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的情景感知系統(tǒng)模型，包括情景獲取、情景處理、應(yīng)用服務(wù)三個(gè)層次。最后，基于本文所提出的模型，實(shí)現(xiàn)了水稻育秧大棚情景感知系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)室測(cè)試與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用均驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)的有效性。

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